Эксперименты и теория относительности.

Предпосылки к разработке теории относительности, а также первые экспериментальные свидетельства в пользу её справедливости описаны в предыдущем посте. Этот пост логически продолжает начатое там перечисление экспериментальных результатов.

• 1959 год. Эксперимент Паунда и Ребки (Pound and Rebka, 1959) подтвердил теорию относительности регистрацией гравитационного красного смещения (влекущего тяготение). Физики Паунд и Ребка измерили гравитационный сдвиг спектральных линий при распространении гамма-лучей от радиоактивного источника (железа-57) вдоль высоты 22-метровой башни. Исключительно слабый эффект, однако заметно влияющий на работу GPS-спутников, часы на которых идут несколько быстрее наземных. Поскольку точный отсчёт времени критически важен для высокоточного определения системой GPS положений на земной поверхности – релятивистские эффекты в этой системе строго учитываются (Ashby, 2003).

• Следующим убедительным экспериментальным подтверждением ОТО является регистрация эффекта гравитационной задержки сигнала (эффект Шапиро). В поле тяготения электромагнитные сигналы идут дольше, нежели в отсутствии поля. Впервые эффект был зарегистрирован в 1967-1968 годах в Обсерватории MIT (Shapiro et al, 1968).

Во второй половине XX века NASA запустило космическую программу "Викинг" по изучению Марса. В рамках этой программы НАСА к Марсу были отправлены два космических аппарата Викинг-1 и Викинг-2. Викинг-1 стал первым космическим аппаратом, который сел на поверхность Марса и полностью выполнил программу исследований. За 14 месяцев его работы на поверхности Марса он подтвердил предсказание общей теории относительности (ОТО) о том, что время прохождения световых сигналов от Земли до Марса и обратно увеличивается за счёт присутствия гравитационного поля Солнца. То есть — полное подтверждение эффекта гравитационной задержки сигнала (Reasenberg et al, 1979).

Эффект Шапиро можно подтвердить лазерной дальнометрией Луны. На поверхности Луны ещё от программы Аполлон остался уголковый отражатель. С помощью него можно рассчитать точное расстояние до Луны, а также зафиксировать эффекты, предсказанные ОТО. Данные эксперименты ведутся и по сей день.

Так, например, в 2004 году вышла статья (Williams et al, 2004) с обработкой данных, полученных с помощью лазерной дальнометрии Луны. Результаты впечатляют точностью экспериментальных данных (0.011%).

Подтверждение ОТО стало также возможным благодаря микроволновой системе связи на борту космического аппарата Cassini на его пути к Сатурну. В статье Bertotti et al (2003) представлены измерения сдвига частоты радиофотонов к космическому аппарату Cassini и от него, когда они проходили вблизи Солнца с более, чем впечатляющей точностью до 0.002%.

Разумеется, в настоящее время расстояния до различных космических аппаратов определяют с учётом эффектов Шапиро. Да и вообще, любая космическая программа, включающая в себя полёт космического аппарата обязательно требует опору на теорию относительности.

• 1971 год. Эксперимент Хафеле-Киттинга (Hafele and Keating, 1972). Исследователи сравнили показания цезиевых часов, пролетевших вокруг планеты, с показаниями аналогичных на земле. Разница показаний соответствовала предсказанным эффектами теории относительности.

• 1979 год. Астрономы впервые экспериментально обнаружили гравитационно линзированный квазар (Walsh et al, 1979). Физика явления гравитационного линзирования та же, что и в наблюдениях Эддингтона 1919 года – траектории световых лучей искривляются в гравитационном поле массивных объектов. Если в случае затмения в эксперименте Эддингтона возмутителем пространства-времени было Солнце, то в случае гравитационно линзированного квазара Q0957+561 гравитирующим объектом выступила галактика. Эта галактика, находясь между Землёй и квазаром, искажает траектории лучей от последнего, фокусируя их нам в телескопы. Как итог – астрономы видят в наблюдениях два изображения одного и того же квазара, события в которых разнесены во времени.

Сейчас астрономы регистрируют удивительно красивые эффекты гравитационного линзирования, коими нас наградила Вселенная.

• Также ОТО проверяют через принцип эквивалентности, с которого началась работа над теорией гравитации, смысл которого сводится к неотличимости гравитационного ускорения от ускорения, вызванного механическими силами. Отсюда следует, что гравитационная масса эквивалентна инертной. Экспериментов по проверке очень много, некоторые ссылки на научные публикации:

• 2008 год. Gillessen et al (2008). Всё больше свидетельств и подробных орбит звёзд в центре нашей Галактики совершенно однозначно указывающих на сосредоточение примерно 4 млн масс Солнц в очень компактной области пространства-времени. Это и есть сверхмассивная чёрная дыра Sgr A* в центре Млечного Пути.

Различные формы чёрных дыр в явном виде описываются уравнениями ОТО Эйнштейна в терминах неевклидовой геометрии. Однако такие экспериментальные результаты, безусловно, поразили бы самого Эйнштейна.

Орбиты звёзд в окрестности чёрной дыры в центре Млечного Пути.

• 2011 год. Итоговая публикация результатов (Everitt et al, 2011) измерений ещё двух тонких эффектов, предсказанных общей теорией относительности, физика которых связана с движением и вращением гравитирующих тел (чёрных дыр, нейтронных звёзд, и даже планет). Американская космическая миссия Gravity Probe B, задачей которой была именно проверка эффектов ОТО, завершилась в 2005 году. Обработка данных и учёт различных помех шёл до 2011 года. Первый предсказанный гравимагнитный эффект геодезической прецессии возникает вследствие искривления пространства-времени Землёй и был измерен ещё в 2007 году. Более слабый эффект (меньше на 2 порядка) связан с вращением массивного объекта, которое вовлекает пространство-время в движение вокруг себя. Это так называемое "увлечение системы отсчёта" в случае вращающихся чёрных дыр приводит к крайне интересным следствиям. В масштабах же нашей планеты величина эффекта исчезающе мала (ею пренебрегают спутники системы GPS), но всё же она была измерена в сверхчувствительных экспериментах с участием спутников Gravity Probe B и LAGEOS.

• Помимо чёрных дыр решения уравнений поля Эйнштейна описывают (предсказывают) и гравитационные волны, распространяющиеся в пространстве-времени со скоростью света и несущие энергию. Этот самоподдерживающийся каскад возмущений поля проще всего представить, как растяжение масштаба по одному пространственному измерению и сжатие по другому. Гравитационные волны были косвенно обнаружены в тесных звёздных системах – двойных пульсарах. За это открытие Рассел Халс и Джозеф Тейлор получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году. Эффект, наблюдавшийся Халсом и Тейлором, в строгом соответствии с ОТО состоит в замедленном уменьшении периода обращения звёзд в двойной системе: звёзды теряют энергию на гравитационное излучение и сходятся по спирали к общему центру.

Финал в виде слияния похожего сближения в двойной системе из чёрных дыр был зарегистрирован 14 сентября 2015 года установкой LIGO. В результате столкновения чёрные дыры с общей массой около 65 солнечных масс выплеснули энергию, эквивалентную трём солнечным массам всего за несколько десятых долей секунды. Это слияние было зарегистрировано на Земле спустя более миллиарда лет с расстояния в примерно столько же световых лет (из-за расширения Вселенной расстояние сейчас несколько больше пройденного грав.волнами).

Гравитационная волна не представляет собой ничего, кроме возмущения пространственно-временной метрики, поэтому всё, что она может делать, - это менять расстояния. Измерение этих изменений заложено в принцип их детектирования. Однако, важно подчеркнуть порядок этих сжатий и растяжений: 10⁻²¹ метра. Поэтому детекторы гравитационных волн являются самыми высокоточными системами в мире. Такие эксперименты носят характер уровня Нобелевской премии (и премия по физике присуждена в 2017).

• 1 мая 2015 года учёные сообщили, что в ноябре 2015 мы увидим Сверхновую (так называемую Сверхновую Рефсдала), расположенную в миллиардах световых лет от нас в спиральной галактике SP 1149. Это была первая попытка предсказать появление Сверхновой (такое не угадать наобум, явление редкое и непредсказуемое) и исследователям выделили время на космическом телескопе им. Хаббла (наблюдения раз в месяц одного и того же участка неба). Сверхновая наблюдалась ранее (причём четырежды), поскольку она линзирована упомянутой галактикой в кластере MACS J1149.5+2223, а сам кластер линзирует галактику SP 1149 (видно три её изображения) и изображение линзированной Сверхновой, траектория лучей которой была предсказана согласно ОТО и моделью распределения вещества в линзирующем кластере, должно было появиться в заявленное время для наблюдений на телескопе им. Хаббла. Появление изображения одной и той же Сверхновой разделены от пяти до трёх недель (в наблюдениях одного из линзированных изображений галактики), поскольку свет, во-первых, шёл траекториями, отличающихся длиной пути, а во-вторых, ввиду более медленного для внешнего наблюдателя прохождения сквозь искривлённое пространство-время. Предсказание касалось одного из трёх линзированных изображений линзированной кластером галактики.

На снимке 11.12.2015 Сверхновая была обнаружена. Предсказание с точностью до месяца (к примеру та же Бетельгейзе взорвётся может завтра, а может через сотню тысяч лет). Эта изящная работа с анализом различных траекторий света от одного и того же явления является подтверждением даже не столь ОТО, сколько того факта, что в настоящее время мы невероятно точно понимаем, как работают свет и гравитация в масштабах Вселенной.

• 2018 год. Delva et al (2018). В 2014 ESA запустило 2 спутника Galilio 5 и 6 (с помощью российских "Союзов"). Из-за непредвиденных обстоятельств спутники были выведены не на запланированную круговую орбиту, а на (казалось бы, бесполезные) очень эллиптические орбиты. Но именно эта ошибка позволила провести один из самых точных тестов теории относительности. На эллиптических орбитах (в отличие от круговых) ввиду перепада высот меняется гравитационный потенциал, что выражается в гравитационном эффекте изменения темпа хода часов. Спутники быстро и неоднократно переходят от более низкого гравитационного потенциала к более высокому гравитационному потенциалу и обратно. Было проанализировано более 1000 дней данных, что позволило достичь точности измерений предсказанного ОТО гравитационного красного смещения порядка 10⁻⁵ на 1σ.

• 2019 год. В рамках проекта "Телескоп горизонта событий" (EHT) получено изображение так называемой "тени" сверхмассивной чёрной дыры (СМЧД) в центре галактики М87, которая расположена относительно близко к нам: на расстоянии всего немногим более 50 млн св.лет. Вместе с СМЧД в центре нашей Галактики это две СМЧД с самыми большими угловыми размерами шварцшильдовских радиусов на небе. Телескоп горизонта событий представляет собой группу больших радиотелескопов, разбросанных по всему земному шару и работающих как единый инструмент. Это позволяет реализовать в рамках метода, называемого интерферометрией, беспрецедентное угловое разрешение, какое было бы у телескопа размером с весь земной шар.

Слева: результат моделирования, справа: результат наблюдений.

EHT зарегистрировал свет, выходящий из вихрящегося вокруг СМЧД аккреционного диска, а также тень чёрной дыры, в несколько раз превышающую размер радиуса Шварцшильда. Пожалуй, одно из наиболее зрелищных подтверждений теории относительности и существования чёрных дыр.

• 2020 год. Abuter et al (2020). Около 30 лет увеличивающихся в точности наблюдений. Одна из самых тесно сближающихся со сверхмассивной чёрной дырой звёзд (S2) в центре нашей Галактики повторяет то же предсказание теории относительности (вопреки ньютоновской теории гравитации), что некогда объяснило поведение Меркурия возле Солнца. А именно шварцшильдовскую прецессию орбиты. За время наблюдений, S2 сделала почти два полных оборота вокруг чёрной дыры, что позволило с большой точностью оценить параметры её орбиты.

Таким образом, эксперименты очень явно согласуются с нашим представлением гравитации и пониманием пространства-времени на основе теории относительности Эйнштейна. Той гравитации, которая в течение дня сжимает наш позвоночник, сокращая наш рост перед сном относительно роста после пробуждения. Но разве это важно? Насколько влияет столкновение чёрных дыр в других галактиках на жизнь далёкого от науки человека? В принципе, то же можно было бы сказать и про вручение Эйнштейну Нобелевской премии за математическое описание фотоэффекта. Ну и что, что какие-то там кванты света как-то хитро взаимодействуют с веществом? И вот, спустя век, в каждом смартфоне работает камера на основе этого самого фотоэффекта :) Учёные пытаются описать Вселенную, постоянно детализируя теории и усложняя эксперимент, вследствие чего появляются технологии, уходящие в массы на благо человека. К примеру, в том же детекторе гравитационных волн используются сверхгладкие зеркала с рекордным коэффициентом отражения. И, понятно, что спустя время такие прецизионные технологии распространятся, увы, сначала в военную отрасль, а затем будут применяться и, например, в медицине. И вообще в быту. Именно потому научный эксперимент столь важен и, на самом деле, очень сильно влияет на развитие человечества и сопутствующих технологий. Вот как, например, могут повлиять на человека столкновения чёрных дыр, предсказанных теорией относительности и математически описанных с её помощью :)